Открытие нейтрона. Состав атомного ядра

Ученик Резерфорда — Чедвик обнаружил, что при некоторых условиях в камере Вильсона получается след быстрой частицы, начинающийся не от стенки, где частица влетает в камеру, а где-то внутри камеры, и там же заканчивающийся. Он объяснил эго как результат соударения проникшей в камеру быстрой нейтральной частицы (не оставляющей следа) с ядром атома газа, заполняющего камеру; след оставляло ядро, выбитое из своей электронной оболочки. По характеру и длине следа можно было оценить скорость ядра. Чедвик допустил, что соударение является упругим и лобовым. Осуществив такое же наблюдение при заполнении камеры другим газом (причем длина следа изменилась), он провел следующее сопоставление этих явлений.

Пусть неизвестная частица имеет массу т и скорость v. Ядро до соударения можно считать практически покоящимся. Обозначим известную массу ядра М, а полученную им скорость (она измеряется по длине следа) V. Применяя законы сохранения кинетической энергии и импульса:

и исключая скорость неизвестной частицы после соударения v1, получим:

Если допустить, что и при втором соударении свойства неизвестной частицы были прежними, то, повторяя рассуждения, получим:

(15.5)

где M1, — масса ядра другого газа. Теперь можно найти массу неизвестной частицы:

(15.6)

и ее скорость.

Оказалось, что масса частицы близка к массе протона. Более точные исследования привели к следующим величинам, характеризующим частицу, которую назвали нейтроном: она имеет нулевой заряд (Z=0); ee масса равна 1,009 а. е. м., что несколько превышает массу протона; ее массовое число равно единице. Отсюда обозначение нейтрона . Спин нейтрона равен 1/2.

Скорости нейтронов оказались значительными — до десятых долей скорости света. Это свидетельствовало об их ядерном происхождении. Впрочем, позже были получены и медленные нейтроны. В нейтральном состоянии нейтрон радиоактивен. Период полураспада нейтронов равен примерно 20 мин, распад происходит по схеме:

Сразу же после открытия нейтрона стало ясно, что ядра состоят только из протонов и нейтронов. Таким образом, смысл массового числа — общее число частиц в ядре; разность AZ соответствует числу нейтронов. Стала понятна и сущность бета-распада: один из ядерных нейтронов распадается на протон и электрон, который и покидает пределы атома (см. также § 16.2).

Для характеристики магнитных моментов ядерных частиц вводится (по аналогии с магнетоном Бора) ядерный магнетон μN:

 

Он меньше магнетона Бора в 1840 раз

При этом, как показали измерения, протон имеет магнитный момент, равный:

а нейтрон, у которого знаки спина и магнитного момента взаимно противоположны, характеризуется магнитным моментом:

Отношение магнитных моментов протона и нейтрона

Такое значение, предсказанное квантовой механикой, имеет глубокий смысл.

При всех превращениях атомных ядер выполняется ряд законов сохранения, а именно:

закон сохранения массы (или энергии);

закон сохранения электрического заряда (алгебраическая сумма зарядов постоянна);

закон сохранения импульса;

закон сохранения спина: сохраняется целочисленность или полуцелость спина. Напомним, что протон, нейтрон и электрон имеют полуцелые спины.

В связи с законом сохранения спина нужно внести уточнения в уравнения некоторых ядерных реакций, так как в этих реакциях получается еще одна частица — с нулевой массой покоя, нулевым зарядом, различной энергией и полуцелым спином. Эта частица получила название «нейтрино» и обозначается символом . Так, например, написанное выше уравнение распада, нейтрона следует записать так:

Роль нейтрино в процессе бета-распада будет рассмотрена о § 16.5.

Есть и более частные законы сохранения, справедливые лишь для некоторых взаимодействий. Мы их рассматривать не будем.

Так как в составе ядра имеются только протоны и нейтроны, то их часто просто называют ядерными частицами (нуклонами); есть даже основания полагать, что протон и нейтрон представляют два различных состояния одной и той же частицы.

Законы (15.1—15.4) справедливы и для искусственной радиоактивности.

В заключение сделаем одно замечание; вся важность его выяснится позже (§17.2).

Так как все элементарные частицы высоких энергий движутся со скоростями, близкими к скорости света (хотя при уменьшении энергии их скорость может уменьшиться до нуля), то характерным временем взаимодействия частиц с ядрами можно считать среднее время пролета ими характерного расстояния, равного радиусу ядра средней массы (10-14 м.), т. е.

(15.7)